图1 突水的煤岩表面电位模拟试验系统组成
孔艳慧1,2， 李忠辉1,2,3， 邱黎明1,2， 沈荣喜1,2
(1.中国矿业大学 安全工程学院， 江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室， 江苏 徐州 221116；3.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室， 江苏 徐州 221116)
摘要：通过突水的煤岩表面电位模拟试验系统测试了突水过程煤岩的表面电位，研究了突水过程中煤岩表面电位变化规律，得出结论：煤岩体表面电位对突水演化过程有显著的时空响应特征，能反映煤岩体内部破裂和裂缝扩展情况；突水演化过程可分为孕育期、裂缝扩展期和大规模突水期，孕育期内表面电位信号比较稳定，裂缝扩展期及大规模突水期内电位信号发生上下波动；不同位置表面电位信号水平一般不同，同一位置的信号水平与孔隙水压力及煤岩体破裂强度呈正相关关系。
关键词：突水； 突水监测； 煤岩体； 表面电位
随着煤矿开采深度的增加，煤岩层赋存及矿井水文地质条件越来越复杂，突水灾害正呈逐年递增的趋势，已成为严重威胁矿井安全生产的五大灾害之一。矿井突水事故通常具有突发性和继发性，如何对突水灾害进行有效预测是预防矿井突水事故的关键[1-3]。
水在煤岩体中的流动会产生流动电位。流动电位又称流动电势、冲流电位、过滤电位等[4-6]，主要是通过孔隙流体在孔隙表面上的流动作用，在其流动路径上产生电势的现象。R. F. Corwin等[7]将因地下水流入膨胀区域所产生的冲流电位作为解释美国加州中部自然电位观测值变化的一种可能机制。李忠辉[8]认为煤体孔隙中的水在载荷的作用下流动产生流动电位，对煤体表面电位的时域分布有明显的影响，表面电位的峰值向前移动，在低应力水平下，表面电位即出现峰值。吕岗岗等[9]在研究矿井底板突水现象时，认为表面电位信号随岩层破裂的产生而产生，总体呈现初期平稳、中期开始波动、后期剧烈波动的趋势。
矿井突水过程是在水压与地应力共同作用下煤岩体损伤破坏的过程，属于煤岩动力灾害的范畴。突水过程能够产生表面电位现象已由参考文献[9]得到证明，但突水过程中表面电位的具体演化机制并没有得到详细的研究。因此，本文建立了突水的煤岩表面电位模拟试验系统，用来测试突水过程煤岩的表面电位，研究并揭示突水过程煤岩表面电位变化规律，为丰富和发展矿井突水的监测预测技术提供理论参考。
1.1 模型设计及制作
突水的煤岩表面电位模拟试验系统由应力模拟系统、电位数据采集系统、水压加载控制系统、电极及电磁屏蔽系统等组成，如图1所示。
图1 突水的煤岩表面电位模拟试验系统组成
试样体积为15 cm×15 cm×15 cm，在中间预制全深梯形孔洞，用以模拟巷道。试样由煤粉、石膏、水泥按照质量比3∶2∶1加水浇筑而成，放置室内，常温下自然干燥。试验电极为15 mm×15 mm的铜片电极，分别布置在试样孔洞底部、侧壁与顶部。
应力模拟系统采用YAW型微机控制压力试验机。电位数据采集系统采用LB-IV型电位数据采集仪，其包括数据采集器、前置放大器和中心控制器。试验中设置电位数据采集频率为50 Hz，前置放大器放大倍数为50，主放大器为8倍。水压加载控制系统由水泵、水压表和导水管组成，水泵可连续提供20 MPa以内水压，导水管通过开孔垫块经试样底部中心位置插入试样，导水管顶端距离梯形孔洞底面3 cm，通过水泵加压注水模拟煤层底板突水过程。导水管与试样之间使用密封胶密封。
1.2 试验过程及控制
首先按照力控制模式调试试验机，当应力缓慢增至12 MPa时进行力保持。试验开始前启动电位数据采集系统，测试背景值为10 s，然后缓慢增加水压。在水压增加直至从孔洞大规模突水的过程中，电位数据采集系统连续采集试验数据。为考察水压对表面电位信号响应的影响，控制水压增速为2 MPa/min，孔洞大规模突水后保持水压不变。试验在室内进行，试验期间室内环境温度为18～25 °C，试验用水为自来水。
2.1 试验结果
整个试验过程历时约4 min，从10 s开始均匀增加水压，试验进行到195 s时，孔洞底部开始出现裂缝，并有水流出，此时水泵水压约为6.2 MPa。然后保持水压6.2 MPa不变，直到孔洞内部有大量水流出，结束试验。孔洞底部、两侧边及顶部的4片电极分别连接LB-IV型电位数据采集仪的1，2，3，4通道。利用该采集仪动态跟踪监测突水模拟试验全过程。测量数据经相关程序处理，得到突水过程水压及煤岩表面电位变化，如图2所示。
从图2可看出：① 突水演化全过程中，巷道的顶部、底部及两帮均有表面电位产生，表面电位信号在突水发生前均保持相对稳定，而在突水发生时出现了波动，这表明煤岩表面电位信号对突水过程具有明显的响应特征。② 水压增加之前，4个通道信号波动均在0.5 mV以下；在40，100 s左右，通道1和通道3的信号产生1～2 mV波动，这可能是煤岩体内部产生的小破裂造成的；在142 s左右，水压约为4.4 MPa，通道1与通道3表面电位产生剧烈波动，波动幅度为2～4 mV，表明煤岩体内部开始产生较大的破裂；之后表面电位信号度过一段稳定期，随后急速波动，波动幅度达3～7 mV；196 s时孔洞开始大量突水，此时水压为6.2 MPa；突水之后水压保持不变， 通道1，2，3信号均继续产生较大波动，波动幅度稳定在3～5 mV，并一直持续到试验结束。
图2 突水过程中水压及煤岩表面电位变化
经比较发现，同一位置的表面电位信号水平波动中心是稳定的，不同位置的表面电位信号水平一般不同(4个位置的表面电位信号水平波动中心分别为18.40，0.03，0.22，-1.25 mV)。孔洞底部表面电位值最大，且均为正电位；孔洞顶部表面电位值较小，主要为负电位；孔洞两侧的表面电位信号正负交替变化。突水过程中，孔洞底部与通道3连接的侧边位置的表面电位信号变化比较剧烈。
试验结束后剖开试样，发现试样的裂缝和湿润部分主要集中在孔洞下方靠近1，3电极所在区域，孔洞上部湿润面积较小，如图3所示。这表明突水过程中，表面电位信号对煤岩体破裂和裂缝扩展行为的响应较敏感，利用电位数据采集系统能够确定水害发展方位。由此判断，孔洞顶部表面电位信号在166 s时产生仅有的一个较大波动点(1.8 mV)可能是孔洞上方材料内部的一次破裂引起的。
图3 试样剖开效果
2.2 分析与讨论
煤岩体是非均质损伤材料，在应力作用下，内部会发生滑动、错动，因摩擦而产生自由电荷，从而在表面形成一定的电位分布[8,10]。李忠辉[8]基于损伤理论得到一维情况下由自由电荷累积表示的煤体本构关系：
(1)
式中：σ为应力；E0为材料的初始弹性模量；ε为应变；Q为应变增至ε时的自由电荷累积；Qm为煤岩体破坏的自由电荷总累计。
式(1)表明，煤岩体破坏过程中的自由电荷累计与声发射、电磁辐射一样，也可以反映煤岩体的损伤。
突水演化过程中，孔隙水压力会产生一个准静态压力场，煤体中微小裂隙会在该压力作用下产生扩展，从而使煤体产生进一步损伤变形。孔隙水应力为[11]
(2)
式中：δ为Kronecker常数；p为孔隙水压力。
根据Biot[12]有效应力原理，煤岩内部应力为
(3)
式中σ0为煤岩外部应力。
由式(1)—式(3)可得
(4)
式(4)表明，电荷量与煤岩所受应力、孔隙水压力及煤岩体物理性质有关。在应力分布均匀的均质各向同性材料中，水压力和产生的电荷量呈正相关关系，孔隙水压力越大，煤岩体内部感应的电荷量越多。事实上，孔隙水压力越大，材料内部微裂隙扩展越快，煤岩体损伤程度越高，内部发生的摩擦错动也越多，产生的电荷量越多。表面电位是煤岩内部点电荷电场叠加的结果，表面电位与电荷量呈复杂的正相关关系，在相同材质条件下，煤岩体内部的孔隙水压力与加载水压呈正相关关系，因此，加载水压与表面电位信号也呈正相关关系。
煤岩体内部的渗流作用受裂隙场的空间分布和煤岩体物理性质影响，不同区域的孔隙水压力是不同的。式(4)表明，电荷量与孔隙水压力呈正相关关系，因此，发生含水裂缝扩展部位的电位高于其他区域，这是表面电位信号对突水演化过程在空间上响应的机理。试验结果也验证了这一结论。
式(4)是在孔隙水压力促使煤岩体损伤的情况下得到的，要求应变ε>0，即孔隙水压力达到煤岩体内部裂缝的起裂压力时，电荷量与孔隙水压力呈正相关关系。当应变ε=0时，煤岩体内部没有发生摩擦错动，不产生电荷变化，电荷值稳定在原始值附近。由于煤岩体的非均质性，不同部位破裂时产生的电荷量是不同的，且正电荷与负电荷会发生中和，所以，在加载的过程中，表面电位会发生变化。
为了更直观地显示表面电位变化规律，记每次采样的表面电位为xi，试验采样频率为50 Hz，表面电位数据波动中心值为μ，统计突水演化过程中每1 s内的表面电位波动平均值
，得到表面电位变化曲线，如图4所示。可看出在142 s之前，表面电位波动均不高于0.3 mV，表明煤岩还未开始破坏；142 s时(水压为4.4 MPa)，煤岩体发生初次较大破裂，表面电位波动达0.92 mV，初次破裂后表面电位出现一段时间的“平静期”，电位变化值不高于0.3 mV，表明这段时间内，煤岩体破裂幅度较小；162 s(水压为5 MPa)后，表面电位波动开始持续升高，在175 s(水压为5.5 MPa)时达到最大值2.3 mV，随后降低一段时间，然后继续升高，这段时间内，煤岩体损伤剧烈，正是这段时间的损伤累积，最终导致了煤岩体失稳突水；196 s(水压为6.2 MPa)时，孔洞内开始突水，之后表面电位大幅波动，但均处于0.8～1.5 mV。
图4 突水过程表面电位变化曲线
根据煤岩表面电位变化规律，可以将突水演化过程分为孕育期、裂缝扩展期、大规模突水期3个阶段，如图4所示。在突水孕育期，煤岩体损伤程度较小，没有形成较大的裂缝，巷道内表面电位信号比较稳定，波动幅度较小。在裂缝扩展期，导水裂缝开始扩展，表面电位波动开始增强，波动幅度增大，导水裂缝逐渐延伸，最终到达巷道底部，形成导水通道，表面电位剧烈波动，波动幅度约为孕育期的1～15倍。在大规模突水期，煤岩体发生失稳，大量水涌向巷道，表面电位信号大幅波动，波动幅度为稳定期的3～10倍。
由试验和理论分析可以得出，突水过程中的煤岩表面电位信号是煤岩体破裂过程中产生的感应电荷电位场叠加的结果，能反映突水演化过程中煤岩体的损伤破裂和裂缝扩展过程。煤岩体内部存在原始微裂隙，在应力作用下发生摩擦错动，产生电位信号。裂隙在孔隙水压力作用下逐步扩展贯通，水压越大，煤岩体损伤程度越高，产生的表面电位信号越强，波动越剧烈。煤岩体损伤到一定程度后形成导水通道，在巷道内发生大规模突水。突水演化过程中，不同位置煤岩的表面电位信号水平的高低与波动程度可以反映煤岩体内部破裂和导水裂缝的方位。
(1) 煤岩表面电位信号对突水过程有明显的时空响应特征，根据表面电位变化情况可以将突水过程分为孕育期、裂缝扩展期、大规模突水期3个阶段。孕育期表面电位信号比较稳定，水压增大引起裂缝扩展时，表面电位信号会产生初次剧烈波动，波动幅度为孕育期的1～15倍，初次剧烈波动之后出现一段平静期，并在大规模突水时再次剧烈波动，波动幅度为孕育期的3～10倍。
(2) 同一测点的表面电位信号水平均值是稳定的，不同位置的表面电位信号水平一般不同，突水发生区域的电位信号水平较高而且波动剧烈，远离突水发生区域的电位信号水平较低且相对平静。
(3) 突水过程中表面电位信号是煤岩体在地应力与孔隙水压力作用下，裂缝扩展破裂过程中产生的感应电荷电位场叠加的结果，表面电位信号水平与孔隙水压力、煤岩体损伤程度正相关。
(4) 煤岩表面电位变化规律能够反映突水演化过程中煤岩体破裂和裂缝扩展情况，可以利用表面电位对煤岩体破裂情况及矿井水害进行监测、预测。
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KONG Yanhui1,2, LI Zhonghui1,2,3, QIU Liming1,2, SHEN Rongxi1,2
(1.School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China;2.Key Laboratory of Gas and Fire Control for Coal Mines, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 3.State Key Laboratory of Coal Resources and Mining Safe, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)
Abstract：Surface potential of coal rock during water-inrush process was tested through a simulated experiment system for surface potential of coal rock, and variation rule of the surface potential of coal rock during water-inrush process was researched. Following conclusions are gotten: The surface potential of coal rock has significant spatiotemporal response characteristics for water-inrush evolution, and can reflect internal rupture and crack expansion conditions of coal rock. Water bursting evolution is divided into three periods, namely incubation period, crack expanding period and systematical water-inrush period. The surface potential signals are relatively stable during incubation period, and fluctuate during crack expanding period and systematical water-inrush period. The surface potential signal level is usually different in different positions. In the same position, the surface potential signal level has positive correlation with pore water pressure or breaking intension of coal rock.
Key words：water-inrush; water-inrush monitoring; coal rock; surface potential
文章编号：1671-251X(2017)01-0038-05
DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2017.01.010
收稿日期：2016-08-18；
修回日期：2016-11-08；责任编辑：李明。
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51104156)；教育部科学技术研究资助项目(113031A)；煤炭资源与安全开采国家重点实验室大学生科技创新计划资助项目(SKLMD2015005)。
作者简介：孔艳慧(1990-)，女，河南商丘人，硕士研究生，研究方向为煤岩动力灾害，E-mail：1037528413@qq.com。通信作者：李忠辉(1978-)，男，河北高邑人，教授，博士，研究方向为矿山安全、煤岩动力灾害监测预报技术等，E-mail:leezhonghui@163.com。
中图分类号：TD745
文献标志码：A
网络出版：时间：2016-12-30 09:48
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161230.0948.010.html
孔艳慧，李忠辉，邱黎明，等.突水过程煤岩表面电位变化规律研究[J].工矿自动化，2017,43(1)：38-42.